JPH10311794A - 走査型発光顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】走査型プローブ顕微鏡に付加的に機能を追加構
成することにより、探針走査速度を損なうことなく高品
質の微弱光画像測定を可能とする走査型発光顕微鏡を提
供することを目的とする。 【解決手段】探針２から荷電粒子あるいは投射光を試料
１に注入し、注入された上記荷電粒子あるいは上記投射
光によって生じた光３を検出し、光３に対応したパルス
信号を出力する光検出器４と、上記パルス信号の個数を
積算する積算器６とを有する走査型発光顕微鏡におい
て、上記パルス信号の積算動作の開始もしくは停止を、
単一線からなる信号線７によって制御し、また、上記パ
ルス信号の積算結果の読み出し、もしくは消去を、単一
線からなる信号線８によって制御し、さらに、上記積算
結果をデジタル・データとして積算データ出力端子１０
ａから出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、探針から試料の表
面あるいは内部の微小領域に荷電粒子あるいは光子を注
入することにより生じる発光を光子計数法で検出するこ
とにより当該試料の微小領域の特性評価に供される走査
型発光顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】結晶成長技術や微細加工技術の進展と、
量子効果による新機能の期待からナノメータサイズの量
子デバイスや量子構造の研究・開発が精力的に進められ
ている。これらのデバイスや構造の性能改善のために、
微小領域の電子・光学特性を高い空間分解能で測定しよ
うという要請が強い。

【０００３】近年、探針から試料内へ注入した光（近接
場光）あるいは電子（トンネル電子）により生じる局所
的な発光（ルミネッセンス）を利用して微小領域の電子
特性や光学特性をナノメートルレベルの空間分解能で評
価する装置が開発されてきた「参考文献：例えばＴ．Ｍ
urashita，Ｊ．Ｖac．Ｓci．Ｔechnol．Ｂ１５，３２
（１９９７)．」。この種の装置は、注入する光や荷電
粒子の種類によって種々の名称があるが、本文では、こ
れらを一括して走査型発光顕微鏡と呼ぶことにする。

【０００４】以前より走査型プローブ顕微鏡としてＳＴ
ＭやＡＦＭなどが広く普及しているが、これらに光測定
機能を追加して走査型発光顕微鏡へ再構成しようとする
要請も強くなっている。走査型発光顕微鏡では、探針走
査に連動して光検出信号を測定するが、通常検出光量が
数万カウント／秒以下と微弱であり、検出器の出力は個
々の光子の到達に対応した時間的に離散したパルス列と
なる。そこで光量測定には光子の個数を積算する方法を
用いる。これは光子計数法（フォトンカウンティング
法）として知られている。この様な測定手段を走査型プ
ローブ顕微鏡に追加的に構成して高画質の検出光像が測
定できる光子数積算手段が待望されている。

【０００５】光子計数法に適用される積算器として従来
から用いられているデジタル出力のもの（以下、本文で
はデジタル積算器とよぶ）は探針走査と連動した高速な
検出光像測定への適用を考慮しておらず、汎用データイ
ンターフェイス（ＧＰＩＢ）で制御用計算機と接続し、
制御用計算機からの指令コマンドに従ってパルス数の積
算等の動作を行い、その積算結果をＧＰＩＢを通して制
御用計算機に返送する構成になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の走査型発光顕微鏡においては、ＧＰＩＢを用いた構
成で装置構成が柔軟にできるという利点はあるが、デー
タ転送速度が遅いので走査に追随できないという欠点が
あった。さらに、制御はすべて計算機からのコマンド形
式で受けるため、既存の走査型プローブ顕微鏡に付加的
に構成して走査型発光顕微鏡を構成しようとした場合、
制御回路が複雑になって構成が困難になるという問題が
ある。

【０００７】そこで、ある程度の高速測定もできる方法
として、積算結果をデジタル・アナログ（ＤＡ）変換器
を用いて積算結果に比例したアナログ電圧を出力する光
子数積算器（以下、本文ではレートメータとよぶ）を走
査型プローブ顕微鏡に付加的に取り付けて用いる方法が
ある。このレートメータは走査とは非同期に一定の時定
数で光子の個数を積算した結果を常にアナログ電圧とし
て出力し続ける機能を持つ。このアナログ電圧を同軸ケ
ーブルで読み取り装置へ転送し、読み取り装置のアナロ
グ・デジタル（ＡＤ）変換器でデジタルデータに変換す
る方法が用いられていた。この方法では、既存の走査型
プローブ顕微鏡に単にＡＤ変換器さえあれば使用できる
ので、構成は容易である。しかし、レートメータは、応
答速度をあまり速くできないために応答速度の制約によ
る出力信号の波形ひずみやレベル変動が生じ画質が劣化
する問題や、瞬間的に強い光を検出したときには、その
減衰に時間がかかるため、画像上に大きなゆらぎを残す
という問題があった。

【０００８】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、走査型プローブ顕微鏡に付加的に機能を追
加構成することにより、探針走査速度を損なうことなく
高品質の微弱光画像測定を可能とする走査型発光顕微鏡
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、この
目的を達成するために、荷電粒子あるいは投射光を試料
に注入する探針及び制御装置を有する走査型プローブ顕
微鏡と、注入された上記荷電粒子あるいは上記投射光に
よって生じた光を検出し、検出された上記光に対応した
パルス信号を出力す光検出器と、上記パルス信号の個数
を積算する積算器とを有する走査型発光顕微鏡におい
て、上記パルス信号の積算動作の開始もしくは停止を、
単一線からなる第１の信号線によって伝播可能な信号で
制御し、上記パルス信号の積算結果の読み出し、もしく
は消去を、単一線からなる第２の信号線によって伝播可
能な信号で制御し、上記積算結果を上記走査型プローブ
顕微鏡に伝送する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る走査型発光顕
微鏡を示す構成図である。図に示すように、走査型プロ
ーブ顕微鏡１３の制御回路１２から出された探針走査信
号１１により、探針２を測定試料１上で走査させる。探
針２から注入された荷電粒子あるいは投射光により、試
料１から出された光３は、光検出器４（例えば光電子像
倍管）で検出され、光検出器４内のディスクリメータ
（波形整形器）４ａを通って個々の光子に対応した矩形
パルスとなる。ディスクリメータ４ａの出力端子と積算
器６を同軸ケーブル５で接続し、ディスクリメータ４ａ
から出力された矩形パルスが積算器６のパルス入力端子
５ａに入る。

【００１１】積算器６には信号の入出力端子として、光
子パルス入力端子５ａと積算データ出力端子１０ａがあ
り、動作制御端子としてＳ／Ｓ（スタート／ストップ）
制御端子７ａとＲ／Ｃ（データ読み出し／データクリ
ア）制御端子８ａの二つが装備されている。ここで、Ｓ
／Ｓ制御端子７ａ、Ｒ／Ｃ制御端子８ａの二つの端子と
パルス入力端子５ａは同軸ケーブルを接続するＢＮＣコ
ネクタであり、積算データ出力端子１０ａはパラレル・
インターフェイスである。これらの端子は所定の接続ケ
ーブルで走査型プローブ顕微鏡１３と接続されている。
なお、本発明ではパラレル・インターフェイスのデータ
長は積算するパルス数の範囲に応じて適宜増減しても動
作は全く同じである。データ長が短ければより安いコス
トで高速な積算器６が構成可能になる。積算器６内には
パルス数を積算する機能と積算結果を記憶する一時メモ
リ９を有する。

【００１２】Ｓ／Ｓ制御端子７ａとＲ／Ｃ制御端子８ａ
は、それぞれ走査型プローブ顕微鏡１３に同軸ケーブル
で接続される。Ｓ／Ｓ制御端子７ａには積算器６の積算
動作開始のタイミングを指示する制御パルスと動作終了
のタイミングを指示する制御パルスが、それぞれ第１の
信号線（単一線）７により伝播可能な信号として走査型
プローブ顕微鏡１３から送られてくる。また、Ｒ／Ｃ制
御端子８ａには積算結果のデータを出力するタイミング
を指示する制御パルスと積算結果のデータを積算器６の
一時メモリ９から消去するタイミングを指示する制御パ
ルスが、それぞれ第２の信号線（単一線）８により伝播
可能な信号として走査型プローブ顕微鏡１３から送られ
てくる。なお、積算器６の積算結果のデータはデジタル
・データとして、パラレル・インターフェイス（積算デ
ータ出力端子１０ａ）から出力され、走査型プローブ顕
微鏡１３へ伝送される。

【００１３】測定される画像は多数の画素から成り立っ
ており、画像測定では測定動作を各画素ごとに繰り返
す。従って、以下では画像上の任意の１画素における本
発明の動作について記述する。他の画素においても動作
は同様である。

【００１４】図２は本発明の動作手順を記した図であ
る。図に示すように、まず、直前の画素から測定する画
素に探針が移動し、一定時間内に探針の位置制御および
トンネル電子のフィードバック制御が行われ、探針位置
とトンネル電流が安定する（ａ）。ここで、走査型プロ
ーブ顕微鏡１３から積算器６のＲ／Ｃ制御端子８ａへ制
御信号（データ消去信号）が送られる。このデータ消去
信号を受け取ると、積算器６は一時メモリ９内に保管さ
れた積算結果のデータを消去する（ｂ）。その後、走査
型プローブ顕微鏡１３から積算器６のＳ／Ｓ制御端子７
ａへ積算開始の制御パルス（スタート信号）が送られ、
積算器６はこのスタート信号を受けると、パルス入力端
子５ａに入ってくるパルス数の積算を開始する（ｃ）。
指定された時間が経過するとＳ／Ｓ制御端子７ａに再度
制御パルス（ストップ信号）が送られ、積算器６がスト
ップ信号を受け取ると積算動作を停止し、積算を終了す
る（ｄ）。積算結果はデジタルデータとして積算器６内
に読み取られ、一時メモリ９に記憶される。なお、ここ
では、ストップ信号を走査型プローブ顕微鏡１３から積
算器６へ送る場合を述べたが、積算器６内にタイマーを
設けてスタート信号を受けた後の測定時間をこのタイマ
ーで計測して積算器６内部でストップ信号を発生させる
方法もある。

【００１５】次に、走査型プローブ顕微鏡１３からＲ／
Ｃ制御端子８ａへ制御信号（データ読み出し信号）が送
られる。データ読み出し信号を受け取ると積算器６は一
時メモリ９に保管された積算結果のデータを走査型プロ
ーブ顕微鏡１３の制御回路１２内の読み取り回路へ送る
（ｅ）。このデータの読み取りが完了すると、走査型プ
ローブ顕微鏡１３は探針を次の画素の位置に移動し、再
び上記動作を繰り返す（ｆ）。

【００１６】なお、ここではデータ消去として積算開始
前にデータ消去信号を送って行う場合について述べた
が、データ読み出し信号を受信した一定時間後に積算器
６内部でデータ消去動作を行うこともできる。また、ス
タート信号を受けた直後にデータ消去し、その後積算動
作を開始する手順もある。この場合はスタート信号がデ
ータ消去信号を兼用し、データ消去信号を個別に走査型
プローブ顕微鏡１３から積算器６へ送る動作を省くこと
ができる。また、データ読み取り動作後に、データ消去
を行うことも勿論可能である。

【００１７】このように、積算動作およびデータ転送が
走査型プローブ顕微鏡１３からのたった２本の第１の信
号線７、第２の信号線８を通してのみ制御されるので、
走査型プローブ顕微鏡１３に容易かつ経済的に付加する
ことが可能であり、高速な探針走査に完全に同期した光
画像測定が行える。また、積算結果のデータは各画素に
おいて消去、更新されるので、次の画素に前の画素の結
果が影響することが防止でき、高画質の光画像を得るこ
とができる。

【００１８】本発明は、上記のような手段および手法を
採用したので、高速な探針走査に同期して高画質の検出
光像を測定できる走査型発光顕微鏡を実現することがで
きた。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る走査
型発光顕微鏡においては、装置構成は簡素であり制御信
号も２本の単線で済むことから、従来の走査型プローブ
顕微鏡に経済的に積算器を付加して、高速走査に同期し
た高画質の光子計数画像を得る走査型発光顕微鏡を構成
することができる。

【００２０】また、本装置は走査型プローブ顕微鏡のみ
ならず、微弱光の画像測定を必要とする装置一般、例え
ばコンピュータ断層測定装置（ＣＴスキャナー）、カソ
ードルミネッセンス顕微鏡など、にも付加できるため、
適用可能範囲が広く、優れた汎用性・融通性・機能性お
よび有用性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るの走査型発光顕微鏡の構成図であ
る。

【図２】本発明の動作手順を説明する図である。

【符号の説明】

１…測定試料 ２…探針 ３…光 ４…光検出器 ４ａ…ディスクリメータ ５…同軸ケーブル ５ａ…パルス入力端子 ６…積算器 ７…第１の信号線（単一線） ７ａ…Ｓ／Ｓ制御信号端子 ８…第２の信号線（単一線） ８ａ…Ｒ／Ｃ制御信号端子 ９…一時メモリ １０…積算データ １０ａ…積算データ出力端子 １１…探針走査信号 １２…制御回路 １３…走査型プローブ顕微鏡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子あるいは投射光を試料に注入する
   探針及び制御装置を有する走査型プローブ顕微鏡と、注
   入された上記荷電粒子あるいは上記投射光によって生じ
   た光を検出し、検出された上記光に対応したパルス信号
   を出力す光検出器と、上記パルス信号の個数を積算する
   積算器とを有する走査型発光顕微鏡において、上記パル
   ス信号の積算動作の開始もしくは停止を、単一線からな
   る第１の信号線によって伝播可能な信号で制御し、上記
   パルス信号の積算結果の読み出し、もしくは消去を、単
   一線からなる第２の信号線によって伝播可能な信号で制
   御し、上記積算結果を上記走査型プローブ顕微鏡に伝送
   することを特徴とする走査型発光顕微鏡。